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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划上海交大材料科学基础课件课程名称：材料科学基础/FundamentalsofMaterialsScience课堂学时：90实验学时：36适用专业：材料科学与工程类专业、冶金类专业和机电类专业一、课程的性质、地位、任务材料科学基础是材料类和冶金类专业的一门主干课，也是该专业的主要技术基础课。通过讲课、实验、课堂讨论和课外实践等各个教学环节，将金属学、陶瓷学和高分子物理的基础理论融合为一体，以研究材料共性规律，即研究材料的成分、组织结构、制备工艺和性能之间的相互关系，指导材料的设计和应用
2、，并为学习后继专业课程、从事材料科学研究和工程技术工作打下坚实的理论基础。二、课程的教学内容和基本要求绪论了解材料的发展史、材料科学的研究对象和内容以及学习本课程的目的意义和要求。第一章原子结构和键合了解物质由原子组成，而组成材料的各元素的原子结构和原子间的键合是决定材料性能的重要因素。1原子结构(一)、原子结构；(二)、原子间的键合；(三)、高分子链。2原子间的键合(一)、金属键(二)、离子键(三)、共价键(四)、范德华力(五)、氢键3高分子链(一)、结构单元的化学组成1碳链高分子2杂链分子3元素有机高分子4无机高分子(二)、高分子链结构单元的键合方式1均聚物结构单元顺序2共聚物的序列结构(
3、三)、高分子链的几何形状(四)、高分子链的构型第二章固体结构(8学时)固态原子按其原子聚集的状态，可划分为晶体与非晶体两大类。晶体中的原子在空间呈有规则的周期性重复排列；而非晶体中的原子则是无规则排列的。材料的性能与材料各元素的原子结构和键合密切相关，也与固态材料中原子或分子在空间的分布排列和运动规律以及原子集合体的形貌特征密切相关。1晶体学基础(一)、晶体的空间点阵1空间点阵概念2晶胞3晶系与布拉菲点阵4晶体结构与空间点阵的关系(二)、晶向指数和晶面指数1阵点坐标2晶向指数3晶面指数4六方晶系指数5晶带6晶面间距2金属的晶体结构(一)、面心立方晶体结构的晶体学特征(二)、体心立方晶体结构的晶
4、体学特征(三)、密排六方晶体结构的晶体学特征3金属的相结构(一)、固溶体1置换固溶体2间隙固溶体3有序固溶体4固溶体的性质(二)、中间相1正常价化合物2电子化合物3原子尺寸因素化合物()间隙相和间隙化合物()拓扑密堆相4离子晶体结构(一)、NaCl型结构(二)、萤石型结构(三)、CsCl型结构(四)、a-Al2O3型结构5共价晶体结构(一)、金刚石结构(二)、SiO2结构(三)、VA、VIA族亚金属结构6聚合物晶态结构(一)、晶胞结构(二)、晶态结构模型(三)、聚合物结晶形态7非晶态结构第三章晶体缺陷(12学时)实际晶体常存在各种偏离理想结构的区域晶体缺陷。根据晶体缺陷分布的几何特征可分为点缺
5、陷、线缺陷和面缺陷三类。了解晶体缺陷有利于分析研究结构敏感性能的变化规律和相变、扩散、塑性变形、再结晶以及氧化、烧结等现象，对探索材料晶体中的奥秘和推动材料科学的发展起着重要作用。1点缺陷(一)、空位与间隙原子(二)、电缺陷的运动(三)、点缺陷的平衡浓度2线缺陷(一)、位错概念的引入(二)、位错的基本结构1刃型位错2螺型位错3混合位错4位错密度5柏矢矢量(三)、位错的运动1位错的滑移2位错的攀移3位错的交滑移(四)、位错的弹性性质1位错的应力场2位错的应变能3位错的线张力4作用在位错上的力5平行位错之间的作用力(五)、实际晶体中的位错1堆垛层错2不全位错3位错反应与扩展位错4汤普森四面体3面缺
6、陷(一)、晶界二)、孪晶界三)、相界(四)、外表面第四章固体中原子及分子的运动(14学时)固体中物质的迁移属动力学范畴。固体中按照原子的键合情况可分为金属(金属键)、陶瓷(离子键)和高分子(共价键)三类材料。不同的键合情况导致固体中原子的运动方式不同。本章主要了解上述三类材料中原子的运动规律及影响因素，并为将来学习材料动力学打下基础。因此，本章的主要内容包括：扩散方程的推导及求解，扩散的热力学分析及原子机制，影响扩散的因素及反应扩散，离子晶体与金属晶体在扩散方面的异同和高分子材料中分子的运动规律等。1表象理论(一)、菲克第一定律(二)、菲克第二定律(三)、扩散方程的解1.误差函数解2.格林函数
7、解(衰减薄膜源)(四)、置换型固溶体中的扩散(五)、扩散系数与浓度相关时的求解2扩散的热力学分析3扩散的原子理论(一)、扩散机制1.交换机制2.间隙机制3.空位机制4.晶界扩散及表面扩散(二)、原子跳跃和扩散系数1.原子跳跃频率2.扩散系数3.无规行走与扩散距离4.扩散激活能4影响扩散的因素(一)、温度(二)、固溶体类型(三)、晶体结构(四)、晶体缺陷(五)、化学成分(六)、应力的作用5反应扩散6离子晶体中的扩散7高分子的分子运动(一)、分子链运动的起因及其柔顺性(二)、分子的运动方式及其结构影响因素1.主链结构2.取代基的特性3.链的长度(三)、高分子不同力学状态的分子运动解说1.线型非晶态
8、高分子的三种力学状态2.体型非晶态高分子的力学状态3.结晶高分子的力学状态第五章材料的形变与再结晶(14学时)分析研究材料在外力作用下的塑性变形过程、机理、组织结构与性能的影响规律以及变形材料在加热过程中产生回复再结晶现象，不仅对正确选择控制材料的加工工艺、保证产品质量是十分必要的，而且对合理使用材料、研制和发展新材料也是很重要的。1材料受力情况下的力学行为2弹性变形与粘弹性3单晶体的塑性变形(一)、滑移1滑移带与滑移线2滑移系3滑移的临界分切应力4滑移时晶体的转动5多系滑移6滑移的位错机制(二)、孪生1孪生的切变过程2孪生的位错机制(三)、扭折4多晶体的塑性变形(一)、多晶体变形的特点(二)
9、、晶粒取向的影响(三)、晶界的影响(四)、屈服现象5变形后的组织与性能(一)、显微组织的变化(二)、亚结构的变化(三)、性能的变化(四)、加工硬化(五)、变形织构(六)、残余应力6合金的塑性变形(一)、固溶体的塑性变形(二)、多相合金的塑性变形7变形晶体加热时的变化(一)、显微组织的变化(二)、性能的变化8回复(一)、微观结构的变化(二)、回复动力学9再结晶(一)、形核长大(二)、再结晶动力学(三)、再结晶后的晶粒尺寸(四)、影响再结晶的主要因素10再结晶后晶粒的长大(一)、晶粒的正常长大(二)、晶粒的异常长大-二次再结晶11动态回复与动态再结晶(一)、动态回复(二)、动态再结晶12超塑性第六
10、章单组元相图及纯晶体的凝固(8学时)单元系的凝固是研究相变的基础，应用热力学理论探讨单元系的凝固机理，包括形、生长特征是本章的重点内容。在此基础上了解铸锭的宏观组织以及对比高分子晶体与金属晶体的凝固特征异同点亦为本章需掌握的内容。1单元系相变的热力学及相平衡(一)、相平衡条件和相律(二)、单元系相图2纯晶体的凝固(一)、液态结构(二)、晶体凝固的热力学条件(三)、形核1.均匀形核()晶核形成时的能量变化和临界晶核()形核率2.非均匀形核(四)、晶体长大1.液-固体界面的构造2.晶体长大方式和生长速率()连续长大()二维形核()籍螺型位错生长(五)、结晶动力学及凝固组织1.结晶动力学2.晶体长大
11、方式和生长速率()在正的温度梯度下的情况()在负的温度梯度下的情况3.凝固后的晶粒大小控制(简介)()增加过冷度()形核剂的作用()振动促进形核(六)、高分子的结晶特征1.相似性()晶粒尺寸与过冷度的关系()结晶分形核与长大两个过程()非均匀形核所需过冷度小()结晶动力学符合Avrami方程2.差异性()高分子晶体结晶的不完全性()熔融过程的升温现象第七章二元系相图及合金的凝固(16学时)在多组元材料中，二元系是最基本，也是研究最为透彻的体系。掌握二元系材料的相图及凝固原理是将来理解材料成分-制备工艺-组织结构-性能的关键。因此，本章的重点在于学习通过相图分析材料的平衡组织，以及非平衡凝固时材
12、料内部成分和结构的演化规律。材料科学基础名词解释1、晶体原子按一定方式在三维空间内周期性地规则重复排列，有固定熔点、各向异性。2、中间相两组元A和B组成合金时，除了形成以A为基或以B为基的固溶体外，还可能形成晶体结构与A，B两组元均不相同的新相。由于它们在二元相图上的位置总是位于中间，故通常把这些相称为中间相。3、亚稳相亚稳相指的是热力学上不能稳定存在，但在快速冷却成加热过程中，由于热力学能垒或动力学的因素造成其未能转变为稳定相而暂时稳定存在的一种相。4、配位数晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数。5、再结晶冷变形后的金属加热到一定温度之后，在原变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒，而性
13、能也发生了明显的变化并恢复到变形前的状态，这个过程称为再结晶。6、伪共晶非平衡凝固条件下，某些亚共晶或过共晶成分的合金也能得到全部的共晶组织，这种由非共晶成分的合金得到的共晶组织称为伪共晶。7、交滑移当某一螺型位错在原滑移面上运动受阻时，有可能从原滑移面转移到与之相交的另一滑移面上去继续滑移，这一过程称为交滑移。8、过时效铝合金经固溶处理后，在加热保温过程中将先后析出GP区，”，和。在开始保温阶段，随保温时间延长，硬度强度上升，当保温时间过长，将析出，这时材料的硬度强度将下降，这种现象称为过时效。9、形变强化金属经冷塑性变形后，其强度和硬度上升，塑性和韧性下降，这种现象称为形变强化。10、固溶
14、强化由于合金元素的加入，导致的以金属为基体的合金的强度得到加强的现象。11、弥散强化许多材料由两相或多相构成，如果其中一相为细小的颗粒并弥散分布在材料内，则这种材料的强度往往会增加，称为弥散强化。12、不全位错柏氏矢量不等于点阵矢量整数倍的位错称为不全位错。13、扩展位错通常指一个全位错分解为两个不全位错，中间夹着一个堆垛层错的整个位错形态。14、螺型位错位错线附近的原子按螺旋形排列的位错称为螺型位错。15、包晶转变在二元相图中，包晶转变就是已结晶的固相与剩余液相反应形成另一固相的恒温转变。16、共晶转变由一个液相生成两个不同固相的转变。17、共析转变由一种固相分解得到其他两个不同固相的转变。18、上坡
